区间盾构隧道结构设计
盾构隧道管片设计方法
盾构隧道管片设计方法随着城市化进程的加快以及城市交通需求不断增加，盾构隧道作为一种高效、安全的地下交通建设方式，越来越受到人们的关注和重视。
盾构隧道的管片设计是盾构隧道施工中非常重要的一环，直接关系到隧道的质量和使用寿命。
下面将介绍盾构隧道管片设计的方法。
1.正确选择材料：在盾构隧道管片的设计中，首先需要正确选择材料。
一般而言，盾构隧道管片的主要材料有混凝土、钢筋和预应力钢筋等。
要选择合适的混凝土强度等级和钢筋型号，以满足设计要求。
2.优化管片结构：在盾构隧道管片的设计中，要根据隧道的特点和施工要求，优化管片的结构。
可以通过在管片的底部增加横隔板和撑筋来提高管片的整体强度和稳定性，同时减小管片的变形。
3.合理布置钢筋：管片的钢筋布置是盾构隧道管片设计中的关键步骤。
合理的钢筋布置可以提高管片的抗弯承载力和抗剪承载力，增加其整体稳定性。
在设计中需要考虑弯剪效应，确定合适的钢筋配筋率。
4.考虑盾构机施工因素：在盾构隧道管片的设计过程中，还需要考虑盾构机施工因素。
盾构机的旋转、推进和撑靠等施工措施会受到管片的约束，因此需要在管片设计中合理设置槽口和固定装置，以便实现盾构机的正常施工。
5.进行力学分析：盾构隧道管片的设计还需要进行力学分析。
通过有限元分析等方法，可以计算管片在施工和使用过程中的受力情况，进一步优化管片的结构和布置方式。
6.进行可靠性分析：除了力学分析外，盾构隧道管片的设计中还需要进行可靠性分析。
通过对管片进行静力、疲劳和耐久性等方面的分析，可以评估管片的安全可靠性，并提出相应的改进方案。
7.进行模拟试验：为了验证设计方案的合理性和可行性，盾构隧道管片的设计还需要进行模拟试验。
通过模拟试验可以获取管片在加载过程中的力学性能数据，进一步改进设计方案。
总结：盾构隧道管片设计是盾构隧道施工中非常关键的一环。
通过正确选择材料、优化管片结构、合理布置钢筋、考虑盾构机施工因素、进行力学分析、进行可靠性分析以及进行模拟试验等方法，可以设计出高质量、安全可靠的盾构隧道管片。
天津6号线盾构区间盾构吊装方案(天拖~鞍山)
卸扣选用 盾构机刀盘、前盾、中盾吊装卸扣的选用按盾构最重部件前盾考虑，构件重98t， 采用四个吊点，每吊点为24.5t，卸扣选用55t；辅助吊点每吊点为25.5t,卸扣选 用35t，均满足施工要求。 其余构件最大重量16t，均选择35t卸扣，满足施工要求。
序号
1 2 3 4 5 6 7
8
名称
钢丝绳
钢丝绳
钢丝绳
卡环
卡环 手拉葫芦 对讲机 大锤、撬杠 、活动扳手
等
吊运工机具明细表（部分）
规
格
6×37+1-φ65mm×6m
单位
条
数量
4
6×37+1-φ65mm×14m
16T
1
200T汽车吊
六、盾构机吊装主要参数
外形尺寸（mm
部套名称
重量（t） 数量 吊装方式
）
3#台车
6500×5200×3400
17T
1
200T汽车吊
4#台车
7500×5200×3400
22T
1
200T汽车吊
5#台车
6500×5200×3400
盾构机的结构设计与优化
盾构机的结构设计与优化盾构机是一种用于地下工程中进行隧道掘进的设备。
它的结构设计和优化对于提高施工效率、保证工程质量具有关键作用。
本文将围绕盾构机的结构设计与优化展开，介绍其基本构成部分及优化方法。
一、盾构机的基本构成部分1. 推进系统：推进系统是盾构机的核心部分，用于推动盾构机前进并掘进地下隧道。
它通常包括主推进缸、伺服泵、液压站等。
主推进缸负责提供推力，伺服泵用于提供必要的液压动力，并通过液压站进行控制和管理。
2. 掘进系统：掘进系统是用于挖掘地下隧道的关键部分。
它通常由盾构刀盘、刀盘驱动系统和刀盘支撑系统等组成。
盾构刀盘上装有刀具，在推进过程中旋转切割地层。
刀盘驱动系统负责提供动力，使盾构刀盘能够旋转。
刀盘支撑系统用于支撑刀盘和控制盾构机的姿态。
3. 泥水处理系统：隧道掘进过程中，盾构机需要处理大量的泥浆和废水。
泥水处理系统包括泥浆循环系统和废水处理系统。
泥浆循环系统用于将泥浆回收、过滤和循环供给盾构机使用，以减少泥浆的消耗和净化排出的废水。
废水处理系统负责处理盾构机排出的废水，使其符合环保要求后排放。
4. 支护系统：由于地下隧道的土层和岩层不稳定，盾构机在掘进过程中需要进行支护。
支护系统包括隧道衬砌、预制片等。
隧道衬砌材料通常是混凝土或钢筋混凝土，用于加固和保护地下结构。
预制片则用于临时或永久性补充支护。
二、盾构机结构设计优化方法1. 结构强度优化：盾构机在掘进过程中需要承受来自地层的巨大压力和挤压力。
为保证其结构强度和稳定性，可采用有限元分析方法进行结构优化，提高材料的使用效率和盾构机整体性能。
同时，结合疲劳分析、振动分析等方法，完善结构设计，保证盾构机在长期使用过程中的安全可靠性。
2. 控制系统优化：盾构机的控制系统是保证其高效推进和掘进的关键。
优化控制系统可以提高盾构机的自动化水平，减少人为操作的失误和能耗。
采用先进的传感器技术、控制算法和通信技术，实现对盾构机推进速度、刀盘转速、切割力等参数的精确控制和调节，以适应不同地层条件。
单线地铁区间盾构隧道管片结构设计
国内大 多数 地铁 盾 构 隧道采 用 标准 环 ＋左转 环 ＋
右转 环三 种 管片 拟合 线 路 ， 广 州 地 铁 、 京 地 铁 、 如 南 上
海 地 铁等 ； 有采 用 左 转 ＋右 转 的 ， 北 京 地 铁 ， 且 也 如 而 都 能 满足 设 计要 求 ； 深 圳地 铁 一期 工程 隧 道 衬 砌 类 型 。
１ １ 管 片 ．
楔形 环管 片来 拟合 地铁 线 路 ， 为 通 用 环 管 片 。它 可 称
用 在 直线 段 和 曲线 段 （ 图 １ 。 见 ）
直线段 曲线段
管片是 预 制装 配 式 衬 砌 ， 材 料 可 分 为 钢 筋 混 凝 按 土、 、 铁、 钢 铸 钢纤维 管 片 以及 由几 种 材 料 组 合 而 成 的
产 时不 用考 虑其 左转 环 、 转环 或标 准环 的数量 ， 高 右 提
了管模 的利 用率 。通 用 环 管 片 的 基 本 拼装 方 法 是 ： 在
减 少 噪声和 振动 以及作 为 内部 装 饰 ， 以在 装 配 式 衬 可 砌 内部 再做 一层 整体 式 混凝 土或 钢筋 混凝 土 内衬 。根 据 需要 可在 装配 式衬 砌 与 内层 间 敷设 防水 隔离 层 。
为有 螺栓 和无 螺栓 两种 。螺 栓包 括 直螺栓 、 螺栓 、 斜 弯
螺栓 。无 螺栓 包括榫 接 头 、 销钉 接头 。
１２ 双 层 和 Ｅ ． ＣＬ 衬 砌
通用 管 片 由于 其 管 片 种 类 只 有 一 种 ， 在 管 片 生 故
为防止 隧 道渗水 和 衬砌 腐蚀 、 正隧 道施 工误 差 、 修
基 金 项 目 ： 州 省优 秀 青年 科 技 人 才 培 养 计 划 项 目（０７７ 。 贵 ２０ ０ ） 作 者 简 介 ： 围 （９９ ）男 ， 州 德 江 人 ， 教 授 ， 士 。 李 １７ 一 ， 贵 副 博
盾构隧道课程设计
盾构隧道课程设计引言盾构隧道是一项复杂的工程技术，用于建设地下交通隧道等大型基础设施。
本文将对盾构隧道的课程设计进行全面的探讨，包括设计原则、流程、关键技术等方面。
设计原则盾构隧道的设计需要考虑以下原则：1.安全性：隧道必须达到一定的安全标准，包括结构安全、地质灾害防治等。
2.经济性：设计需要在保证安全的前提下，尽可能节约成本，提高投资回报率。
3.可行性：设计方案必须符合实际施工条件，考虑现有技术和资源供应等因素。
4.环保性：隧道的设计应尽量降低对环境的影响，包括噪音、振动、污染等。
设计流程盾构隧道的设计流程通常包括以下几个阶段：前期调研1.项目背景：了解项目的背景、目标和需求，包括交通状况、城市规划等。
2.地质勘探：进行地质勘探，获取地质和地下水情况等必要数据。
3.隧道路线选择：根据勘探结果和其他条件，选择最佳的隧道路线。
初步设计1.结构设计：根据选定的路线，进行隧道的结构设计，确定隧道的断面形状、尺寸等。
2.施工工艺设计：制定隧道的施工工艺和方案，包括盾构机的选择和使用等。
详细设计1.参数计算：对隧道的结构、地质等参数进行计算和分析，确定设计的合理性和稳定性。
2.材料选择：选择适合的材料用于隧道的建设，包括隧道衬砌、防水材料等。
3.设备选择：对于盾构隧道来说，盾构机是关键设备之一，需要选择适合的盾构机型号和配置。
4.施工图纸：制定详细的施工图纸，包括隧道的剖面、开挖工程、支护结构等。
监理与验收1.施工监理：监督隧道的施工过程，确保施工按照设计要求进行。
2.竣工验收：对隧道的结构、安全等进行验收，判断是否符合设计要求。
关键技术盾构隧道设计过程中需要掌握以下关键技术：1.地质勘探技术：通过地质勘探获取地下地质数据，包括地层厚度、岩土类型、地下水位等。
2.隧道结构设计技术：根据勘探数据和工程要求，确定隧道的结构形式、断面和支护方案等。
3.盾构机技术：盾构机是盾构隧道施工的关键设备，设计需要对盾构机进行选择和配置。
第五章-区间隧道
图5-1 矿山法修建的衬砌结构形式
⑴衬砌的基本结构类型 ——复合式衬砌 a.由初期支护﹑防水层 隔离和二次衬砌组成（ 图5-2）。外层为初期 支护，喷锚支护； b.内层为二次支护，模 筑混凝土； c.一般用于土质隧道或 车站折返线等大跨度隧 道。
图5-2 复合式衬砌构造
①常用的锚杆型式有：全长粘结式﹑端头锚固型 和摩擦型等；
据施工量测信息，调整衬砌强度、刚度和施做时
机，以及仰拱闭和和后期支护的施工时间，以主
动“控制”围岩变形。
2)隧道衬砌结构类型与选择 a.拱形结构，基本断面形式为单拱双拱和多跨连 拱，见图5-5； b.前者多用于区间隧道或联络通道后者用于停车 线折返线或喇叭口岔线上； c.结合具体条件选择单层衬砌或双层衬砌。
四、地铁区间隧道结构的 荷载内力计算方法
与地铁车站结构的荷载内力计算方法一 致。
五﹑地铁区间隧道的结构设计
⒈地铁区间隧道结构设计方法
由于施工方法不同，地铁区间隧道的断面形式 、结构支护衬砌类型、结构计算方法和适用范围 各异。表4-8列出了国内外隧道结构设计模型， 表4-9列出了隧道施工和设计方法分类。
二﹑地铁区间隧道的结构形式
⒈明挖法修建的地铁区间隧道结构形式
1)整体式衬砌结构 分单跨﹑双跨等形式，整体性好，防水性能高， 施工工序多，速度慢。 2)装配式衬砌结构 接头构造，整体性差，慎用。 3)区间喇叭口隧道 岛式车站两侧行车道与正线区间隧道间设过渡段
4)渡线隧道、折返线隧道 单渡线﹑交叉渡线 5)联络通道及其他附属结构 联络通道，安全﹑消防﹑维护等；排水站。
国内外隧道结构设计模型
国家 盾构开挖的软土隧 道 锚喷、钢拱支护的 软土隧道 中硬石质深埋隧道
表4-8
深圳地铁5号线穿越铁路区间隧道盾构法施工
２ １ 盾构施 工 对铁路 的影响 ．
盾构 隧道在通过铁 路 时 ， 土体 扰 动大 ， 对 造成地表 不均匀沉 降， 钢轨接头产生轨缝、 错牙、 台阶和折角 ， 严重影响列车运行安全 。 经有限元计算 分析 ， 得到盾 构隧道施 工过程 中， 固和 不加 加 固两种工况下地表沉 降规律 。两盾构 隧道 下穿广深铁路 ， 引起 的 地表沉降 曲线如图 １ 所示 。
到 两 隧道 地 表 中心 距 离 ／ ｍ
０
３ １ 地表 加 固措 施 ．
盾 构 推 进 前 ， 穿 越 的 铁 路 线 路预 加 固 。 对
１旋喷桩加固。距 下穿 区域铁路线 路两 侧各 ４ｉ 处 设 四排 ） ／ Ｔ 旋 喷桩 ， 直径 ０ ８ｍ， 间咬合 ０ ２ｍ， ２ ４Ｉ 宽 ， 固至盾构底 ． 桩 ． 共 ． ｌ 加 Ｉ 板下 １ｉ， 固后土体 ２ 无 侧限抗压 强度 ｑ≥１０ＭＰ． 加 ｎ ８ｄ ． ｆ 桩间范 １ ， 围内路基分层跟踪注浆加固。 ２ 袖阀管跟踪注 浆。为保证盾 构施 工时 ， ） 铁路运 营、 地铁 隧 道结构的安全 ， 主加 固区进行 分层袖 阀管跟踪 注浆加 固 ， 固范 加
２ 铁路 加 固目的
地铁 隧道下穿 铁路 ， 两者之 间相互 影响 。地铁 施工 过程 中 ， 地表沉降影响铁路运营安全 ； 铁路动荷载影响地铁结构安全 。
过 大 ， 而 保 证 列 车 行 车 安全 。 从
３ 设计及 施 工方 案
为保证铁路正常 安全 运行及盾 构顺 利推进 ， 采取地表加 固和
岩 、 风 化 角 岩 。 隧道 在 Ｄ １ － ５ 中 Ｋ３ ３０处 覆 土 最 浅 ， 为 １ ． Ｉ ４ 约 ３ ３ｉ。 Ｔ
盾构法隧道结构
B. 裂缝验算
根据《混凝土结构设计规范》规定了三种级别的裂缝验算标准： 严格要求不出现裂缝： ck pc 0
一般要求不出现裂缝： ck pc ftk
： 允许出现裂缝 max lim
盾构构件处于地下水的环境中，不允许出现裂缝，一般采用一或二级验算
标准。ftk 为混凝土轴心受拉强度标准值， pc 扣除全部预应力损失后抗裂验
施工阶段
1千斤顶推力
盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态 时，极易使管片开裂和顶碎。
衬砌环受力 P / K
F
2 壁后注浆压力
在向盾尾管片与围岩间隙注浆时，注浆压力在管片注浆孔周边 将形成一个临时作用的偏心荷载，在此荷载作用下容易使管片 发生变形甚至破坏。 施工时的注浆压力一般为0.1～0.3MPa。
断面内力系数表
荷重
截面 位置
M（α）
内力
N（α）
P
自重 0 ~ gRH2 1 0.5cos sina gRH sin 0.5cos
G
上荷
0~ 2
qRH2 0.193 0.106cos 0.5sin2
qRH sin2 0.106cos
第6章 盾构法隧道结构
衬砌形式和构造 衬砌圆环内力计算 盾构法隧道衬砌的结构设计 隧道防水及其综合处理 算例
盾 构 机
矩 形 盾 构 机
盾 构 进 洞
盾构衬砌
6.1 衬砌形式和构造
衬砌断面形式和构造
盾构隧道横断面一般由圆形、矩形、半圆形、马蹄形等，衬 砌最常用的断面形式为圆形与矩形。
错缝拼装弯矩传递及分配示意图
课堂练习题
地铁车站和区间隧道的设计和选型（推荐5篇）
地铁车站和区间隧道的设计和选型（推荐5篇）第一篇：地铁车站和区间隧道的设计和选型一、地铁车站的建筑设计地铁车站的分类1.1 按照车站埋深分：浅埋车站、深埋车站1.2 按照车站运营性质分：中间站、区域站、换乘站、枢纽站、联运站、终点站1.3 按照车站结构断面形式分：矩形断面、拱形断面、圆形断面、其他1.4 按车站站台形式分：岛式、侧式、岛侧混合式地铁车站建筑及平面布局2.1 地铁车站的组成地铁车站由车站主体（站台、站厅、生产、生活用房）、出入口及通道、通风道及地面通风厅等三大部分组成。
车站建筑又可概括为以下部分组成：乘客使用空间、运营管理用房、技术设备用房、辅助用房。
2.2 车站总体平面布置按照以下流程确定：前期工作（设计资料的收集、现场调查、构思），确定车站中心位置及方向，选定车站类型，合理布置车站出入口、通道、通风道与地面通风厅。
车站建筑设计 3.1 车站设计 3.1.1 设计原则（1）根据车站规模、类型及平面布置，合理组织人流路线，划分功能分区。
（2）车站一般宜设在直线上。
（3）车站公用区间划分为付费区和非付费区。
（4）隔、吸声措施。
（5）无障碍通行。
3.1.2平剖面设计（1）车站规模确定。
确定车站外形尺寸大小、层数和站房面积，确定车站规模大小。
（2）车站功能分析。
确定车站乘客流线、工作人员流线、设备工艺流线等，以便于合理进行车站平剖面布置。
1（3）站厅设计。
主要解决客流出入的通道口、售票、进出站检票、付费区与非付费区的分隔、站厅与站台的上下楼梯与自动楼梯的位置等。
（4）站台设计。
确定站台形式、站台层的有效长度、宽度和站台高度，然后进行站台层公共区（上、下车与候车区及疏散通路）的设计。
（5）主要房间布置。
包括变电所、环控用房、主副值班室、车站控制室、站长室等，一般设置在站厅和站台层的两端。
（6）车站主要设施布置。
包括楼梯、自动扶梯、电梯、售检票设施等的布置和各部位通过能力的设计，按照有关规范执行。
盾构区间同步及二次注浆方案
目录1、编制依据 (1)2、工程概况 (1)2.1区间概况 (1)2.2工程地质 (2)2.3水文地质 (6)2.4注浆方式 (7)3、注浆施工 (8)3.1同步注浆 (8)3.2二次注浆 (10)4、施工资源配置 (14)4.1机具配置 (14)4.2劳动力配置 (14)5、质量保证措施 (15)6、安全保证措施 (15)7、文明施工保证措施 (16)盾构区间同步及二次注浆施工方案1、编制依据（1）《盾构法隧道施工及验收规范》GB50446-2017（2）《地下铁道工程施工质量验收标准》（GB/T50299-2018）（3）《地下工程防水技术规范》GB50108-2008（4）《地下防水工程质量验收规范》GB50208-2011（5）《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-20172、工程概况2.1区间概况本隧道为天津地铁8号线一期工程长泰河东站工程～渌水道站左线区间，设计起讫里程为左DK33+592.383～左DK35+197.487，长链长13.124米，隧道全长1618.228米；。
隧道结构覆土厚度在9.8m～19.8m之间。
区本区间线间距12.5m～17.2m，于左DK34+734.635设置一座联络通道，在左DK34+153.756设置1座联络通道兼泵房。
本盾构区间采用1台盾构机施工，隧道出渌水道站后以半径600m曲线向东偏转，沿微山路向北敷设，临近泗水道后以半径400m曲线向西偏转，到达长泰河东站。
隧道纵断面呈V形坡左线线路出渌水道站后以313.124m长4‰、250m长23‰、480m长6.426‰下坡段、250m长13.5‰、250m长25‰上坡段到达长泰河东站。
开挖半径为3.3m，衬砌管片厚度为350mm，环宽1500mm，局部采用环宽1200mm。
端头井加固采用ϕ850@600三轴水泥土搅拌桩加固，ϕ800@500高压旋喷包角加固。
加固范围为：纵向加固长度11m，加固宽度为盾构外径两侧各3.0m，加固深度为盾构井以下3.0m。
盾构施工方案(3篇)
第1篇一、工程概况本工程为城市轨道交通项目，采用盾构法施工，全长约10公里，包含3个区间，分别为A区间、B区间和C区间。
A区间起于A站，止于B站，长度约2.5公里；B 区间起于B站，止于C站，长度约3公里；C区间起于C站，止于D站，长度约4.5公里。
隧道埋深一般在10-20米之间，最大埋深约25米。
隧道内径为6.2米，采用单管片拼装。
二、施工方案设计原则1. 安全性原则：确保施工过程中人员、设备、环境的安全。
2. 经济性原则：在保证安全和质量的前提下，降低施工成本。
3. 环保性原则：尽量减少施工对环境的影响，实现绿色施工。
4. 可操作性原则：施工方案应具有可操作性，便于施工人员理解和执行。
三、施工准备1. 施工图纸及技术资料准备：熟悉施工图纸，了解隧道结构、地质条件、周边环境等，收集相关技术资料。
2. 人员组织：组建专业的施工队伍，包括盾构施工、测量、地质勘察、安全监理等人员。
3. 设备准备：准备盾构机、盾构隧道、测量仪器、地质勘察设备、安全防护设备等。
4. 材料准备：准备盾构管片、混凝土、钢筋、防水材料等。
四、施工工艺1. 盾构机安装与调试：在盾构始发井内安装盾构机，进行设备调试，确保设备运行正常。
2. 盾构始发：在始发井内完成盾构机的安装、调试后，进行盾构机的始发。
3. 盾构掘进：- 掘进参数控制：根据地质条件、隧道结构等因素，合理控制掘进参数，如掘进速度、推进力、刀盘转速等。
- 管片拼装：在盾构机内部进行管片拼装，确保管片拼装质量和精度。
- 出土：通过盾构机的出土系统，将隧道内土体运出。
4. 盾构接收：- 接收井准备：在接收井内进行盾构机的接收准备，包括接收井的加固、接收井内设施的设置等。
- 盾构机接收：将盾构机缓慢从隧道内推出，进入接收井内。
5. 隧道衬砌施工：- 衬砌材料准备：准备隧道衬砌所需的混凝土、钢筋、防水材料等。
- 衬砌施工：在隧道内进行衬砌施工，确保衬砌质量和安全。
五、施工质量控制1. 原材料质量控制：严格控制原材料的质量，确保原材料符合设计要求。
盾构法隧道衬砌结构设计
力法方程为：
δ11 X1 + Δ1 p = 0 δ 22 X 2 +Δ 2 p =0
1 π πr δ11 = ∫ M ds = rdα = 0 EI ∫0 EI s 1 π πr 3 2 2 δ 22 = ∫ M 2 ds = ∫0 (−r cos α ) rdα = EI 0 EI
s 2 1
1 π Δ1 p = ∫0 M p rdα EI −r 2 π Δ2 p = ∫0 M p rdα EI
盾构法公路隧道
外环沉管隧道
长江西路隧道 翔殷路隧道 崇明越江隧道
黄浦江越江公路隧道工程 军工路隧道 已建隧道：6 条 大连路隧道 在建隧道：3 条
延安东路隧道
将建隧道：5 条
新建路隧道
已建隧道
人民路隧道 在建隧道
复兴东路隧道
2010年，黄浦江越江通道 打浦路隧道 车道总数 车道总数 西藏南路隧道
上中路隧道 龙耀路隧道
−0.106 cos α − 0.5sin α )
2
pR RH (sin 2 α − sin α + 0.106 cos α )
两个基本要求：
满足施工及使用阶段结构强度、刚度的要 求，承受诸如水、土压力及一些特殊使用要 求的外荷载； 满足使用功能要求的环境条件，保持隧道内 部的干燥和洁净，特别是在饱和含水软土地 层中采用装配式钢筋混凝土管片结构时对衬 砌防水的措施。
2.1 钢筋混凝土管片的设计要求和方法
按照强度、变形、裂缝限制等需要分别验算。 确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶 段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出 各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求(衬砌裂
缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结 构安全度，衬砌内表面平整度要求等) ，进行各个工作阶
国内地铁盾构区间隧道管片结构设计的现状与发展
国内地铁盾构区间隧道管片结构设计的现状与发展摘要：近几年国内地铁区间盾构隧道的结构设计相对于早期的上海地铁一号线又有了一定的发展，随着盾构法普及后工程条件的变化出现了一些新的管片形式和结构分析方法，在借鉴国外经验的基础上将逐步做到与国际接轨。
关键词：地铁；隧道区间；隧道盾构法；管片衬砌；结构设计；综述1引言国内地铁区间隧道采用盾构法开始于世纪年代上海地铁一号线试验段，在其前后也有部分小型盾构隧道先后施工，内径以3～4m居多，主要用于引排水、人防及交通工程项目。
大型盾构隧道国内修建很少，主要为上海跨越黄浦江的两条公路隧道。
在国内大量修建的主要为地铁盾构区间隧道，上海地铁一、二号线暗挖区间都采用盾构法施工广州地铁一号线有两个区间、二号线有四个区间南京地铁一号线有六个区间，北京地铁五号线试验段以及深圳地铁部分区间都采用盾构法施工，即将开工的成都地铁试验段两个区间也将采用盾构法施工。
因此，盾构法在国内迎来了快速发展的时期。
管片结构设计主要包括两个方面：管片的构造设计、结构分析。
具体内容见表。
2 管片构造设计现状及发展趋势2.1单层、双层衬砌的选择国内地铁区间隧道很少采用双层衬砌，只在盾构法最初阶段，例如在上海地铁试验段一段区间隧道中采用了双层衬砌，以进行试验研究，其后皆采用单层衬砌。
根据国内的设计、施工经验和地铁区间的运营情况，单层柔性衬砌结构的受力性能和耐久性等均可控制在预期的要求内，能够满足地铁隧道的运营要求，且单层衬砌的施工工艺单一、工程实施周期短、投资省、防水效果从施工情况看优于矿山法区间隧道，因此单层衬砌占据主导地位。
但是由于国内盾构区间隧道的运营时间还不长，结构的抗震性能、防水性能以及结构的耐久性还有待时间来检验。
这方面只能结合国外经验进行比较：在欧美盾构隧道以单层衬砌为主，双层衬砌很少使用；在日本双层衬砌和单层衬砌都多有采用。
比较双方的差别，可能主要由于大的地质构造方面的差异，日本一直是一个地震高发带，而欧洲相对比较稳定。
盾构法隧道主要设计原则
盾构法隧道主要设计原则
1）盾构区间结构净空尺寸应满足地铁建筑限界和其他使用及施工工艺等要求，并考虑施工误差、结构变形和位移的影响。
结构综合净空余量：按半径方向采用100mm。
2）盾构法施工的区间隧道的覆土厚度不宜小于一倍隧道外轮廓直径，如特
殊地段埋深较浅时，应采取相应保证措施。
3）盾构法施工的平行隧道间的净距，应根据工程地质条件、埋置深度、盾
构类型等因素确定，且不宜小于一倍隧道外轮廓直径。
当因功能需要或其它原因不能满足上述要求时，应在设计和施工中采取必要的措施。
4）盾构区间隧道所选择的盾构机，必须针对本地铁特殊的工程地质和水
文地质条件、管片厚度、管片长度、管片分块形式等有较好的适应性。
5）装配式管片的尺寸应考虑制作、吊装、运输以及施工的安全和方便。
接
头设计应满足受力、防水、耐久性要求。
盾构隧道设计基本概念（1）
盾构隧道设计基本概念（1）盾构隧道设计基本概念1盾构管⽚的⼏何设计1.1隧道线形的选择—平纵断⾯的拟合隧道的中线是由直线及曲线组成。
设计常常采⽤楔形衬砌环（见图1-1），来实现盾构隧道在曲线上偏转及纠偏，楔形衬砌环最⼤宽度与最⼩宽度之差称为楔形量。
⼀般来说，楔形量的确定具有经验性，应考虑管⽚种类、环宽、直径、曲线半径、曲线区间楔形管⽚环使⽤⽐例、管⽚制作的⽅便性、盾尾操作空隙因素综合确定；管⽚楔形量还必须为施⼯留出适当的余裕。
如下图所⽰，阴影部分是管⽚的平⾯投影图，圆弧是隧道设计中⼼线，圆弧中⼼点O1是隧道的转弯半径所在的中⼼点，O2是理论上能拼出的最⼩转弯半径时的圆⼼，则O2P＜O1P。
a）普通环b）单侧楔形环c）两侧楔形环图1-1 楔形衬砌环（β-楔形⾓、△-楔形量）图1-2 楔形量与转弯半径⽰意图⽇本曾统计管⽚外径与楔形量的相关关系，如下图所⽰。
图1-3 楔形量的施⼯统计《盾构⼯程⽤标准管⽚（1990年）》规定管⽚环外径与楔形量的关系如表1-1所⽰。
表1-1 楔形量与管⽚环外径的关系⽬前，多采⽤楔形衬砌环与直线衬砌环的组合、左右楔形衬砌环以及通⽤型管⽚。
1.1.1标准环+楔形环管⽚拼装时，根据隧道线路的不同，直线段采⽤标准环管⽚，曲线段采⽤楔形管⽚（左转弯环、右转弯环）⽤于隧道的转弯和纠偏。
楔形环的楔形⾓由标准管⽚的宽度、外径和施⼯曲线的半径⽽定。
采⽤这类管⽚时，⾄少需三种管⽚模具，即标准环管模、左转弯环管模和右转弯环管模。
a）直线段b）曲线段图1-4 标准环+楔形环拟合线路通常，以短折线拟合曲线，在设计时常以2标准环+1楔形环来拟合；不得以（极端困难）时，以1标准环+1楔形环来拟合。
⼀般地，短折线偏离圆曲线或缓和曲线量不宜⼤于5mm，也有⼈提出控制在10mm。
这就意味着环宽与直径如何匹配是设计需要进⼀步考虑的问题。
①楔形量确定⽅法可采⽤下式计算：式中R——隧道中⼼曲线半径（mm）；——楔形量（mm）；m——楔形环数；n——普通环数；B T——楔形环的最⼤宽度（mm）；B——普通环的宽度（mm）；D0——管⽚外径（mm）。
城市地铁盾构法区间隧道的设计
第一章工程概况第二章工程地质和水文地质第三章隧道设计第1节主要设计标准第2节盾构隧道线路的拟合第3节管片构造形式第4节管片结构设计第5节管片防水设计第6节联络通道和洞门设计第四章结论与建议目录2...2.3..3..3..5..7..8..1..0...1..1.第一章工程概况越—三区间属于广州地铁二号线工程的的北段,由越秀公园站—火车站、火车站—三元里站两个双孔区间隧道和两个联络通道及泵房组成。
工程起于越秀区的地铁越秀公园站,向北下穿人民北路、环市西路到达地铁广州火车站;然后,线路从地下穿过广州火车站南站房等建筑群向西北延伸,最后下穿广花路到达地铁三元里站。
区间全长3926 单线延米,曲线半径为600m 和400m 两种。
区间纵坡均为“ V”形坡，最大坡度为30 %。
，最小竖曲线半径为3000m。
线路沿线地形起伏较大隧道最小覆土厚度为9m ,最大覆土厚度为26m。
第二章工程地质和水文地质区间的地层岩性在上部为:人工填土层，流塑—软塑状淤积层，海陆交互淤积层，冲、洪积砂层，冲、洪积土层，残积土层。
下部为:全风化、强风化、中等风化和微风化带的泥质粉砂岩。
区间隧道穿越地层大部分是岩层，少部分为残积土层和断裂破碎带。
隧道所处的地层为上软下硬，软硬岩互层现象特征明显。
本段地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水两种。
第四系孔隙水主要赋存在淤泥质砂层和冲积—洪积砂层内。
基岩裂隙水多属承压水,但富水性较小,透水性多较弱。
第三章隧道设计第1节主要设计标准(1) 结构的安全等级为一级。
(2) 区间隧道的抗震按7 度设计,人防按6 级考虑。
(3) 防水标准:隧道整体为二级;隧道上半部A 级;隧道下半部、洞门及联络通道 B 级。
(4) 结构最大裂缝允许宽度: 管片内侧0. 3 mm , 外侧0. 2 mm。
(5) 地表沉隆控制标准：-30/+ 10mm;建筑物倾斜控制标准：框架结构2 %。
,砖混结构1.5 %°。
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区间盾构隧道结构设计1）主要设计原则①盾构隧道衬砌结构应满足运营功能要求以及建筑限界、施工工艺、结构防水和城市规划等方面的要求。
结构安全等级为一级，按地震烈度为7度进行结构抗震设计，采取相应的构造处理措施，以提高结构的整体抗震能力。
结构抗力应满足人防部门的要求，抗力级别为6级。
②结构类型和施工方法，应根据工程地质、水文地质和周围的环境条件，通过技术经济比选确定，并应按相关规范的规定进行结构设计计算。
③结构设计应符合强度、刚度、稳定性、抗浮和裂缝宽度验算的要求，并满足施工工艺的要求。
④对于钢筋混凝土结构应就其施工和正常使用阶段进行结构强度计算，必要时也应进行刚度和稳定性验算。
钢筋混凝土结构应进行裂缝宽度验算，其最大裂缝允许值为：明挖法和矿山法施工的结构为0.2～0.3mm；盾构法施工的结构为0.15～0.20mm。
结构进行抗浮验算时，其抗浮安全系数不得小于1.05，否则应采取抗浮处理措施。
⑤采用暗挖法施工时，区间隧道为平行的双洞单线隧道，两隧道的净距一般不宜小于1.0倍隧道洞径。
⑥所选择的盾构机型，必须对地层有较好的适应性，并同时依据盾构推进速度、周围环境状况、工期、造价等各方面进行技术经济比较后确定。
⑦严格控制工程施工引起的地面沉降量，其允许数值应根据地铁沿线的地面建筑及地下构筑物等实际情况确定，并因地制宜地采取措施。
⑧结构防水设计应根据工程地质、水文地质、地震烈度、环境条件、结构形式、施工工艺及材料来源等因素进行，并应遵循“以防为主、多道设防、刚柔结合、因地制宜、综合防治”的原则。
车站及出入口通道防水等级为一级；车站风道及区间隧道防水等级为二级。
2）盾构机类型的选择3）钢筋混凝土管片和特殊管片的设计（1）盾构隧道断面尺寸的拟定xx圆形区间隧道内径的确定是在建筑限界Φ5200mm的基础上考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等诸多因素确定的。
并根据《关于明确成都地铁一期工程试验段工程有关问题的会议纪要》（[2003]第一期）的精神，本次设计内径为5400mm（见图5.3.1）。
（2）单、双层衬砌比较制造管片的材料有铸铁、钢材以及混凝土等，此外使用复合材料制作的管片也逐渐增多，在隧道防水、受力合理和经济性能等方面都有明显的优势。
其中钢筋混凝土管片是目前最为常用的，其原因有：①具有一定强度；②加工制作比较容易，采用钢模制作时可保证管片的精度（能达到±0.5mm）；③耐腐蚀；④造价也低。
因此，钢筋混凝土管片管片在我国得到了大规模采用。
从我国上海、广州和深圳等地铁的施工和运行检验情况来看，采用有一定接头刚度的单层柔性衬砌是成功的，单层衬砌施工工艺单一、工期短和投资省。
因此，本次设计采用单层管片衬砌，设计成钢筋混凝土平板型，其接头采用弯螺栓。
（3）管片的厚度与幅宽管片的厚度与隧道断面大小的比，取决于地层条件和隧道埋深等，最主要是取决于荷载条件。
一般情况下，管片厚度为管片外径的4％左右，我国的单线地铁区间隧道多采用350mm和300mm两种。
根据成都地区的工程地质条件及地下水埋深情况，管片厚度取定为300mm，并进行相应结构计算分析，验算其强度和刚度。
管片的幅宽应根据隧道的断面，结合实际施工经验，并满足曲线拟合的条件下，选择在经济性、施工性方面较合理的宽度。
从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度的考虑，管片幅宽是小一些为好。
但是，从降低管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则幅宽大一些为好。
目前，我国地铁盾构隧道的设计中多采用幅宽1.2m和1.5m三种，随着盾构施工技术的发展，趋向于采用宽幅管片。
由于成都地质条件十分复杂，地下水位高、含漂石的砂砾石地层，施工过程中线形的控制难以保证。
对于同样的曲线半径，采用1.2m的管片比1.5m的管片的曲线拟合误差要小，同样是10cm的总误差，留给施工误差的剩余相对要大。
因此，本次拟定幅宽为1.5m和1.2m两种，对于平曲线半径小于350m的小半径区间隧道，采用1.2m 的幅宽，而对于直线和大半径区间，则采用1.5m的幅宽。
（4）管片衬砌环分块设计衬砌环的分块主要由管片制作、防水、运输、拼装、结构受力性能等因素确定，目前国内地铁盾构区间隧道基本上采用六块方案，一块小封顶块，两块邻接块和三块标准块。
本次设计采用以上分块方案，即一环分成6块，见图5.3.1所示。
一环管片由1块封顶块管片(F)圆心角为15°，标准块管片3块(分别为B1、B2、B3)圆心角均为72°。
邻接块管片左右各1块(分别为L1、L2) 圆心角均为64.5°，纵向接头为10处，按36°等角度布置。
环向和纵向螺栓均采用6.8级M24型弯螺栓。
图3 管片分块图（5）拼装方式衬砌圆环有通缝、错缝两种拼装方式。
通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较大、内力较小。
错缝拼装条件下，管片衬砌结构的整体刚度较大，减少结构变形，但衬砌结构较之通缝内力要大，且管片制作精度不够时容易在推进过程中被顶裂，甚至顶碎，因此，应加大对管片精度的要求。
错缝拼装的拼转角度根据纵向螺栓的布置而定，可以两环一组错缝拼装，也可以三环一组错缝拼装，通常将K块放在隧道拱顶90°范围以内。
根据本次设计的管片分块方式，可实现两环一组的错缝拼装方式，第一环管片的封顶块(F)在拱顶正上方，第二环管片的封顶块(F)从正上方右偏36°。
（6）管片的楔形量盾构在曲线段施工和蛇行修正时，需要使用楔形管片环，楔形管片环分为左转环及右转环。
蛇行修正用楔形管片环的数量，会因工程区域内所包含的缓曲线和急曲线区段的比例、有无S形曲线等的隧道线路、影响盾构操作稳定性的周围围岩的情况而不同。
通常，蛇行修正用楔形管片环数量大概是直线区间所需管片环数的3％～5％。
楔形量除了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线外径、曲线间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作空隙而定。
根据本次设计的区间隧道线形，其最小半径为350m，按曲线拟合所需要的楔形量为25mm，但综合考虑施工经验等因素，采用楔形量38mm的楔形管片环，模拟线形采用直线环、左转环和右转环组合的方式。
（7）特殊管片的设计区间的联络通道在修建，有两种方式，一是从地表进行明挖施工，但是当地面条件不允许时，只能采用暗挖的方式。
暗挖联络通道时，必须先从区间隧道里面，破除管片衬砌，然后采用注浆加固或冻结法进行施工。
考虑到成都地铁地质的具体情况，主要为砂砾石、地下水位高，因降水产生的地表沉降小，同时地表又没有明挖条件。
故本次推荐采用先降水再注浆加固地层，最后用暗挖方式修建联络通道。
同时，为了保证施工的安全和施工中管片的拆卸方便，本次设计在联络通道处，区间隧道采用钢管片和钢筋混凝土管片组成的复合型管片环。
4）区间隧道结构计算（1）管片衬砌结构环力学模型盾构隧道管片衬砌结构的力学模型有铰接圆环模型、匀质圆环模型和梁－弹簧模型。
铰接圆环模型、匀质圆环模型属于经验性为主的简化计算法，此种方法因不能明示接头位置，难于反映管片衬砌结构的实际受力状况（如考虑为匀质圆环时，不能反映圆环偏转某一角度后的截面内力及变形变化、不能计算错缝时的纵向接头的剪力等），计算结果受人为影响的因素较大。
梁－弹簧模型属于精确计算法，能考虑各类接头位置与刚度、错缝时的环间相互咬合效应，及隧道与周围土体的实际相互作用关系。
根据精确计算法还能明确计算出衬砌管片的环向及纵向接头的各种内力值，可准确地进行各类衬砌管片接头的设计。
我国以前多采用匀质圆环模型进行受力分析，随着盾构隧道设计理论的发展，目前也出现了采用梁－弹簧模型进行力学分析，两种力学模型（见图1）的具体情况如下:①匀质圆环模型将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环，用小于1的刚度折减系数η来体现环向接头的影响，不具体考虑接头的位置，即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度，如日本的修正惯用计算法。
用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆，同时用弯矩增大系数ξ来表达错缝拼装引起的附加内力值。
根据国内外经验，通常取η为0.75，ξ为0.3。
②梁－弹簧模型在一衬砌圆环内，具体考虑环向接头的位置和接头的刚度，用曲梁单元模拟管片的实际状况，用接头抗弯刚度 K来体现环向接头的实际抗弯刚度。
为错缝式拼装时，因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用，此时根据错缝拼装方式，除考虑计算对象的衬砌圆环外，将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为对象，采用空间结构进行计算，并用圆环径向抗剪刚度K r和切向抗剪刚度K t来体现纵向接头的环间传力效果。
同时假图1 管片衬砌圆环计算的两种力学模型（2）管片衬砌结构接头力学模型在采用梁－弹簧模型进行结构计算时，管片接头抗弯刚度kθ，的取值很重要，它是评价评价盾构隧道管片衬砌结构设计合理与否的关键。
工程设计中常因设计者对kθ的取值偏差导致结构内力计算结果出现较大差异，从而使得在条件基本近似的条件下，管片厚度等重要结构设计参数相差甚大，导致设计过于保守或偏于不安全。
目前，工程中对kθ的取值还没有图表或公式可以遵循，实际中一般采用现场试验或室内模型试验进行确定。
以下应用三维有限元理论的基础上，采用数值方法对管片接头刚度进行模拟计算，为盾构隧道装配式管片衬砌结构设计计算提供依据。
①计算假定已有研究成果表明，盾构隧道管片接头变形主要由接头板接缝材料压缩和连接螺栓受拉变形组成，相比而言，接头端面其余部位变形较小且近乎线性变化。
根据管片接头端面变形特点，计算过程中主要引入了如下假定：◆小变形假设：外荷载作用下的管片接头端面变形和转动与构件几何尺寸相比较而言非常微小，属小变形范畴。
◆平截面假设：除接触端面由于受螺栓拉力和混凝土挤压而形成曲面外，管片其余断面变形前后均为平截面。
◆材料均匀性假设：忽略材料几何制造等形成的差异，假定计算管片为均质各向同性材料。
②计算参数结合研究对象所处围岩条件，埋深范围等确定衬砌环轴力、弯矩变化范围分别为300～1000kN和-150～200kN.m。
计算中通过在管片远离接缝的两侧端头施加均布面荷载以形成轴力N，通过在单块管片中部施加均布线荷载形成弯矩M。
计算中管片混凝土弹性模量35GPa，泊松比0.17；连接螺栓弹性模量210GPa，泊松比0.3。
③有限元模型计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头管片（管片尺寸：长×宽×高：3581mm ×1500mm×300mm）进行三维建模分析。
考虑到盾构管片的实际承载和变形及其影响因素，对管片内侧远离接触面底边线施加铅直约束，而在水平面内允许其自由变形。
结合结构几何对称性，计算管片取0.5倍幅宽，约束对称面变形。
模型建立、网格划分及约束施加如图2所示。